基于空域滤波的GPS抗干扰算法仿真及性能评估

张道成

(中国人民解放军91404部队,河北 秦皇岛 066000)

随着国民经济的发展,导航技术已经被广泛地应用在国民经济的各个领域和人们的日常生活中,特别是接收机的精确定位和导航性能,使其应用得到迅猛发展。现代战争中,指挥通信、军事情报、兵器控制,武器发射等日益依赖于导航技术。

针对接收机发挥的作用越来越重要的现实影响,接收机的干扰技术也不断地提高,尤其是现代战争中,作用将会尤为突出,如果不能达到有效的抗干扰效果,武器的精确制导,地面的单兵设备,频率较高的电台、航空卫星通信和机动卫星系统终端都可能被削弱导航卫星信号,使定位误差增大甚至完全无法实现导航功能,也就无法达到干扰敌军制导武器和不能被敌军干扰己方的制导武器的目的,为了提高卫星导航接收机性能的可靠性,对抗各种形式的干扰,人们采用了各种抗干扰技术,如时域滤波抗干扰、频域滤波抗干扰技术、空域滤波抗干扰技术等。

1 空域滤波抗干扰研究发展现状

本文主要以GPS导航接收机为例,研究其空域滤波抗干扰技术。空域滤波利用阵列天线调整方向图,在有用信号方向增益不变,在干扰方向形成凹陷。空域滤波一个重要作用是用于形成方向性波束,在接收特定区域特定方向信号的同时,干扰抑制其他方向收到的信号。当空域滤波技术和自适应技术结合后,空域滤波可以自动地调节滤波性能,达到自适应干扰置零的效果。根据阵列结构来划分,目前,其研究主要分为单空域自适应调零天线阵、空域时域结合自适应、空域频域联合自适应等几种方法[1]。

近年来,空域滤波技术得到越来越多的实际应用,在自适应抗干扰抑制技术上,有人主要从基于OFDM循环前缀特性、基于期望信号来估计、基于干扰信号导向矢量估计的干扰抑制方法进行了分析[2], 提出了基于空间投影的抗干扰方法。在相控阵雷达的重要技术空域滤波上,有人做了相关研究,解决了相控阵雷达天线的方向图[3]的问题。有人提出了基于空域滤波的谱估计方法,提高了DOA估计的精度和抗干扰性能[4]。

2 空域滤波的基本概念和抗干扰算法

2.1 基本概念

使用空域模板进行的图像处理,被称为空域滤波,而模板本身被称为空域滤波器,空域滤波的原理就是利用波束来通过有用的信号和需要方向的信号,抑制来自于其他方向的信号和无用的信号对其形成的干扰。从数学形态上可以把空域滤波分为线性滤波和非线性滤波,从处理效果上可以把空域滤波分为平滑滤波和锐化空间滤波。空域滤波处理时需要考虑图像轮廓边缘情况和去除离散点。

2.2 抗干扰算法

宽带干扰信号所占频带与有用信号频带可以比拟,在GPS接收机抗干扰中,空域滤波算法就是将不同空域特征的阵列天线自动地进行调整并加权,使其在受到干扰的方向变成最弱波束,而在需要的方向形成最强的波束,使其达到最佳的抑制干扰不需要信号,在有用信号处达到最强的主波束[5],采用零陷技术即可达到对干扰的有效抑制。

目前,较为常用的抗干扰算法包括最小方差无失真响应算法、功率倒置算法、基于前相空间幅相估计的波束形成算法。基于空域滤波技术的抗干扰正是围绕着这几方面展开的。按照是否知道卫星导航信号的来向进行区分[6-7]。对于导航接收机,由于干扰信号方向是未知的和变化的,故第一、三种方法不适用。主要讨论第二种方法,即功率倒置方法。

针对导航信号中的强干扰弱信号特点,采用功率倒置结构。功率倒置指自适应天线翻转两个接收信号功率比的能力,在保证一个阵元通道的信号加权值为一的前提下,自适应地选择其他阵元加权值,使得天线阵元输入信号的加权和的功率最小。因而,它的波束图将在干扰方向引入零点,而且,干扰愈强,相应的最佳输出愈小。在扩频通信应用中,信号电平非常低,功率倒置将有效地抑制干扰。在干扰被抑制之后,解扩过程再将信号增强,就能获得很好的信干比,使通信质量大大提高。功率倒置结构如图1所示。

图1 M个阵元的功率倒置阵列

设天线阵元个数为M,功率倒置阵列选择加权向量为

wa(n)=[w2(n),w3(n),…,wM(n)]T

(1)

为使阵列输出信号的功率最小,而又防止得到无意义解w1=w2=…wM=0,引入约束条件w1=C,C为任意不为0的常数。为方便起见,通常取C=1,如图1。可以理解为,阵元1上的信号最为参考信号,功率倒置阵列选择加权向量wa(n)=[w2(n),w3(n),…,wM(n)]使阵元2～L的输出加权和与参考信号之间的误差信号最小。记xa=[x2,x3,…xL]T,阵列的输出信号为

(2)

为保证输出信噪比最大,求得最优权为:

(3)

其中,

(4)

(5)

若自适应调零算法采用LMS算法,求得权值为

wa(n+1)=wa(n)+μxa(n)y*(n)

(6)

比较这两种算法,调零方法的最优权求解过程需要对输入信号协方差矩阵的求逆,调零方法的LMS算法求权过程不需要对协方差矩阵的求逆。

经过对阵列天线的自适应加权处理后,阵列的输出信干噪比为

(7)

3 抗干扰算法仿真及性能评估

鉴于导航信号的特点,选定功率倒置算法。卫星信号功率-170 dBm,方位俯仰角(80°,80°);干扰为GPS伪码调制宽带干扰,功率-50 dBm,方位俯仰角(40°,40°),选择7阵元阵列进行仿真。如图2,对卫星信号的压制:-12.106 dB,对干扰的压制:-14.01 dB,图中出现凹陷的方位角和俯仰角大约都是30°,为干扰出现的方向。图3为抗干扰前后频谱图。该仿真验证了空域滤波方法的有效性。

图2 阵列天线抗干扰结果3D图

图3 阵列天线抗干扰频谱图

与无法解决GPS信号中干扰这一现状的时域滤波和频域滤波相比较,空域滤波可以有效地滤除宽带干扰,空域滤波技术与单纯的时域、频域技术相比优势明显。主要表现就是当存在压制式宽带干扰时,空域滤波能更好地压制宽带信号的干扰,对于宽带干扰有较好的抑制作用,捕获概率要高得多。但是也存在一定的不足,就是干扰源离某个卫星角度间隔很近,既要考虑消除不同误差源的影响,又要考虑尽可能接收最多的信号,导致部分信号受到影响。

4 结束语

随着抗干扰技术的迅速发展,对空域滤波抗干扰提出了新的要求,而随着未来战场电磁环境的愈来愈复杂,空域滤波技术将会有着越来越广泛的应用,空域滤波技术本身具备一定自身优势,比如空域滤波可以有效抑制宽带干扰等,空时联合滤波技术在空域滤波基础上做改进,可以增加抗干扰个数,对空域滤波进行研究后,对于实际应用有一定的意义,但是也存在部分不足之处,可以从提高自适应阵列的抗干扰能力进行展开研究。